DE102004041053B4

DE102004041053B4 - Verfahren zur Herstellung dicker REBCO-Schichten für bandförmige Hochtemeperatur-Supraleiter

Info

Publication number: DE102004041053B4
Application number: DE102004041053A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Bäcker; Brigitte Schlobach; Kerstin Knoth; Barbara Dr. Schüpp-Niewa; Bernhard Dr. Holzapfel; Martina Dr. Falter
Original assignee: Zenergy Power GmbH
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2024-08-26
Also published as: WO2006021370A2; WO2006021370A3; US20070197397A1; EP1782484A2; US7763569B2; DE502005004042D1; EP1782484B1; ES2306194T3; DE102004041053A1; ATE394797T1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Hochtemperatur-Supraleiters (HTSL) mit einem Trägermaterial auf dem eine Pufferschicht ist und mit mindestens zwei Precursorschichten, mit den Schritten
a. Aufbringen einer Precursorlösung,
b. Trocknen,
c. Pyrolyse,
d. Glühen zur Erzeugung einer supraleitenden Schicht,
wobei die Schritte a) bis c) mindestens einmal wiederholt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens als erste eine fluorfreie und als oberste eine fluorhaltige Precursorlösung aufgebracht wird, wobei zur Herstellung der fluorfreien Precursorlösung Pivalinsäure und/oder Propionsäure verwendet wird.

Description

Zitierte Dokumente

D1: S. Beauquis, C. Jimenez, F. Weiss, in: High Temperature Superconductivity 1: Materials, A.V. Narlikar (Ed.), Springer-Verlag, 2004, 115–167.
D2: A.P. Malozemoff, S. Annavarapu, L. Fritzemeier, Q. Li, V. Prunier, M. Rupich, C. Thieme, W. Zhang, A. Goyal, M. Paranthaman, D.F. Lee, Supercond. Sci. Technol. 13 (2000) 473–476.
D3: DE 101 43 680 Verfahren zur Herstellung von Metallbändern mit hochgradiger Würfeltextur; J. Eickemeyer, D. Selbmann, R. Opitz.
D4: CN 1 117 879 Metallischer Werkstoff auf Nickelbasis und Verfahren zu dessen Herstellung; J. Eickemeyer, D. Selbmann, R. Opitz, B. Holzapfel.
D5: DE 1000 05 861 Metallischer Werkstoff auf Nickelbasis und Verfahren zu dessen Herstellung; J. Eickemeyer, D. Selbmann, R. Opitz, B. Holzapfel.
D6: A. Gupta, R. Jagannathan, E.I. Cooper, E.A. Giess, J.I. Landman, B.W. Hussey, Appl. Phys. Lett. 52 (1988) 2077–2079.
D7: P.C. MCIntyre, M.J. Cima, M. Fai Ng, J. Appl. Phys. 68 (1990) 4183–4187.
D8: J.A. Smith, M.J. Cima, N. Sonnenberg, IEEE Trans. on Appl. Supercond. 9 (1999) 1531–1534.
D9: M. Paranthaman, T.G. Chirayil, S. Sathyamurthy, D.B. Beach, A. Goyal, F.A. List, D.F. Lee, X. Cui, S.W. Lu, B. Kang, E.D. Specht, P.M. Martin, D.M. Kroeger, R. Feenstra, C. Cantoni, D.K. Christen, IEEE Trans. on Appl. Supercond. 11 (2001) 3146–3149.
D10: T. Araki, I. Hirabayashi, Supercond. Sci. Technol. 16 (2003) R71–R94.
D11: M. Leskelä, H. Mölsä, L. Niinistö; Supercond. Sci. Technol. 6, 1993, 627–656.

Stand der Technik

Mit der Entdeckung des Supraleitereffektes im Jahre 1911 durch den holländischen Physiker Kammerlingh-Onnes begann eine umfangreiche Entwicklung, um Supraleiter industriell nutzbar zu machen. Dies beinhaltete die Suche nach Materialien mit höheren kritischen Temperaturen aber auch Herstellungsverfahren, um diese nutzen zu können.

Heute unterscheidet man zwei Klassen von Supraleitern, so genannte Tieftemperatur-Supraleiter, deren kritische Temperatur die Verwendung von Helium im Betrieb verlangt, und Hochtemperatur-Supraleiter (HTS), die eine höhere Betriebstemperatur erlauben. Die kritische Temperatur von hochtemperatursupraleitenden Materialien liegt oberhalb der Siedetemperatur von flüssigem Stickstoff (77 K). Dies trifft beispielsweise für das Material Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid YBa₂Cu₃O_x (YBCO) zu.

Die HTS Technologie stellt eine Schlüsseltechnologie dieses Jahrhunderts dar. Zukünftig werden HTS-Bandleiter (bandförmige Drähte mit zumindest einem Teil Supraleiter) energietechnische Anwendungen, wie Motoren, Transformatoren und Kabel, sowie Magnetanwendungen, wie MRI, revolutionieren.

Um das geschätzte weltweite Marktvolumen von bis zu 1 Mrd. EUR im Jahr 2015 für HTS-Bandleiter in seiner Breite erschließen zu können, muss das Preis-/Leistungsverhältnis der Bandleiter entscheidend verbessert werden.

Entscheidend für diese Verbesserung ist die Entwicklung von Bandleitern, die neben einer hohen elektrischen Performance, d.h. einer hohen kritischen Stromdichte, über einen günstigen Herstellungsprozess verfügen. Der Herstellprozess muss dabei einerseits auf kostengünstige Ausgangsmaterialien, andererseits auf ein kostengünstiges Verfahren sowie Energieeffizienz optimiert werden.

Heute üblich ist die Herstellung von Bi-basierten HTS-Drähten nach dem Pulver-im-Rohr Prozess. Hierbei wird eine Rohsubstanz in eine Metallhülle aus Silber oder einer Silberlegierung gefüllt und anschließend mechanisch umgeformt. Abschließende, z.T. wiederholte Wärmebehandlungen züchten den Supraleiter. Nachteil ist, dass die dabei verwendeten Materialien sehr teuer sind.

Weltweit wird eine entscheidende Verbesserung der oben genannten Randparameter durch so genannte Coated Conductors erwartet. Unter Coated Conductors werden supraleitende Bandleiter verstanden, deren supraleitende Funktionsschicht aus YBCO über ein spezielles Verfahren auf ein bandförmiges Substrat aufgebracht wird. Diese YBCO-Bandleiter weisen i.a. eine Struktur aus Metallsubstrat, Pufferschicht und supraleitender Schicht auf (vgl. 1). Die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsprozesses wird maßgeblich durch das Abscheideverfahren sowie durch die supraleitenden Eigenschaften bestimmt [D1, D2].

Hauptschwierigkeit der Produktion von Coated Conductors ist die Tatsache, dass die YBCO-Schicht eine extrem hohe Textur, d.h. kristallographische Orientierung aufweisen muss. Die einzelnen Kristallite der Schicht dürfen nur um einen minimalen Betrag gegeneinander verkippt sein, da sonst die supraleitenden Eigenschaften massiv beeinträchtigt werden.

Um einen solchen hohen Texturgrad zu erreichen, werden zwei unterschiedliche Herstellungsansätze verfolgt. Beiden Ansätzen ist gemein, dass vor dem Abscheiden der Supraleiterschicht eine texturierte Pufferschicht erzeugt wird, die ihre Textur, d.h. Orientierung, an den Supraleiter bei dessen Abscheidung überträgt. Bei beiden Ansätzen werden Metallsubstrate verwendet, weil nur so die für die spätere Verwendung in elektrotechnischen Anwendungen erforderliche Festigkeit der Bandleiter erreicht werden kann. Im ersten Ansatz wird von einem untexturierten, kristallographisch nicht orientierten, metalli schen Substrat ausgegangen. Dabei wird zumeist eine Hastelloy-Legierung verwendet. Auf dieses untexturierte Substrat wird anschließend die Pufferschicht mit einer Orientierung aufgebracht. Eine solche gerichtete Abscheidung kann nur mittels physikalischer Beschichtungsverfahren, beispielsweise Ion Beam Assisted Deposition (IBAD) und Inclined Substrate Deposition (ISD), im Hochvakuum erfolgen. Entscheidende Nachteile dieser Verfahren sind der hohe apparative Aufwand, z.B. durch das zu verwendende Hochvakuum und die nur geringen Abscheideraten. Im zweiten Ansatz wird bereits das Metallsubstrat durch spezielle Umform- und Temperaturbehandlungsprozesse texturiert (D3, D4, D5). Die Textur des Substrates kann damit auf die Pufferschicht und von dort auf die Supraleiterschicht übertragen werden. Vorteil dieser Methode ist, dass keine gerichteten Abscheideverfahren angewendet werden müssen. Hier können u.a. sowohl physikalische Verfahren wie Pulsed Laser Deposition (PLD) und Thermische Co-Verdampfung (Thermal Co-Evaporation, TCE) als auch chemische Verfahren wie Chemical Solution Deposition (CSD) und Metal-Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD) eingesetzt werden. Für die genannten physikalischen Verfahren gilt prinzipiell das zum ersten Verfahrensansatz Gesagte, wobei die Abscheideraten der physikalischen Verfahren mit ungerichteter Abscheidung deutlich höher sind.

Besonders ökonomisch bezüglich Anlagen- als auch Betriebskosten sind chemische Beschichtungsverfahren, da diese i.a. bei Normaldruck, d.h. ohne Hochvakuum, arbeiten und eine deutlich höhere Abscheiderate ermöglichen. Daher stehen weltweit CSD-Verfahren (Chemical Solution Deposition), die im Gegensatz zu physikalischen Beschichtungsmethoden bei Normaldruck erfolgen, im Mittelpunkt zahlreicher Entwicklungen. Im Labormaßstab erfolgt die Beschichtung mit CSD-Verfahren als „dip coating", indem das Substrat in eine Lösung eingetaucht und wieder herausgezogen wird, oder als „spin coating". Hier werden einige Tropfen der Lösung auf ein Substrat aufgebracht und durch Rotation des Substrats verteilt (vgl. 2). Zur Produktion von größeren Längen kann das Substratband durch eine Beschichtungslösung gezogen und anschließend in einem Ofen getrocknet werden. Eine schematische Darstellung einer solchen Anlage ist 3 zu entnehmen. Bei CSD-Verfahren erfolgt die Umsetzung zur eigentlichen kristallinen Schicht in mehreren Schritten. Zunächst wird das Substrat beschichtet und anschließend getrocknet, d.h. das Lösungsmittel wird entfernt. Dabei entsteht eine i.a. amorphe Schicht aus organischen und/oder anorganischen Metallsalzen. Die zersetzbaren Anteile der Salze werden in einem anschließenden Schritt pyrolysiert. Die pyrolysierte Schicht wird in einem letzten Glühschritt zur endgültigen Schicht kristallisiert. Diese Teilschritte können sowohl nacheinander als auch mittels eines Temperaturprogramms innerhalb einer einzigen Glühbehandlung durchgeführt werden.

Die für eine Beurteilung der Ökonomie eines Coated Conductors bzw. dessen Herstellverfahrens betrachteten supraleitenden Eigenschaften sind sowohl die kritische Stromdichte J_C als auch der kritische Strom I_C. Typischerweise werden hier die Werte bei 77 K (Siedetemperatur von Stickstoff) mit einem Kriterium von 1 μV/cm Spannungsabfall zugrunde gelegt. Alle im weiteren Verlauf angegebenen Werte für die kritischen supraleitenden Eigenschaften beziehen sich auf diese Temperatur und dieses Kriterium. Die Textur der supraleitenden Schicht ist, wie oben beschrieben, maßgeblich verantwortlich für deren Güte, beeinflusst also insbesondere die kritische Stromdichte J_C. Aktuell erreichbare typische Werte für YBCO Schichten, die mittels CSD Verfahren auf verschiedenen Pufferschichten abgeschieden wurden, sind Stromdichten von ca. 2 MA/cm². Dabei ist es unerheblich, welcher Ansatz gemäß der oben beschriebenen Aufbaumöglichkeiten für Coated Conductors gewählt wurde. Mögliche Pufferschichtmaterialien können Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid, Gadolinium-Zirkonat, Yttriumoxid, Lanthan-Aluminat, Lanthan-Zirkonat, Strontium-Titanat, Nickeloxid, Ceroxid, Magnesiumoxid, Lanthan-Manganat, Strontium-Ruthenat und viele andere mehr sein. Auch Schichtkombinationen aus mehreren unterschiedlichen Materialen sind möglich. Die höchsten Werte für die kritischen Stromdichten von CSD-YBCO-Schichten werden aktuell auf physikalisch hergestellten Pufferschichten erzielt.

Nachteil

Zwar ist die kritische Stromdichte ein zentrales Merkmal eines Coated Conductors, jedoch ist dieses Merkmal für die Beurteilung der supraleitenden Performance nicht ausreichend, da dieser Wert nichts über den absoluten kritischen Strom I_C aussagt. Ein hoher absoluter kritischer Strom lässt sich nur durch verhältnismäßig dicke, hoch-texturierte YBCO Schichten, d.h. Schichten mit hoher kritischer Stromdichte J_C, erreichen. Das Erreichen eines hohen Texturgrades über die gesamte Dicke einer supraleitenden Schicht ist besonders bei Schichten, die über ein CSD Verfahren abgeschieden wurden, sehr schwierig. Während dünne Schichten im Bereich von bis zu 500 nm eine sehr gute Textur und damit hohe J_C-Werte aufweisen, verringert sich J_C bei dickeren Schichten, die konventionell mittels CSD hergestellt wurden, vor allem an der Oberfläche dramatisch. Somit ist es mit den aktuellen CSD Verfahren nicht möglich, Coated Conductors mit einem sehr hohen I_C herzustellen.

Dass dies nicht möglich ist, liegt zu einem großen Teil an den aktuell verwendeten Lösungsmittel- und Precursorsystemen für die Abscheidung der YBCO-Schichten mittels CSD. Die oben zitierten guten Ergebnisse bezüglich J_C wurden mittels des so genannten TFA-Systems (TFA = Trifluoracetat) erzielt. Bei diesem Beschichtungssystem werden alle Metalle als Acetate in Trifluoressigsäure gelöst, so dass formal vollständig Metall- Trifluoracetate entstehen, die bei der Auftrocknung der Beschichtungslösung nach dem Verdampfen von Essigsäureresten und Trifluoressigsäure auf dem Substratband verbleiben. TFA-Lösungen werden vor allem deshalb verwendet, weil bei der Verwendung anderer vor allem organischer Metallsalze beim Abtrocknen bzw. bei der Pyrolyse der Beschichtung Barium-Carbonat entsteht. Barium-Carbonat ist so stabil, dass es bei den nachfolgenden Prozessbedingungen nicht mehr zerstört werden kann, und Barium somit nicht für die Bildung des YBCO-Supraleiters zur Verfügung steht und an Korngrenzen den Stromtransport behindert. Durch die Bildung von Bariumfluorid nach dem ersten Pyrolyseschritt wird die Bildung von Bariumcarbonat bei der TFA-Route effektiv verhindert. Die Bildung von Bariumfluorid setzt aber auch voraus, dass der Glühatmosphäre zur abschließenden Kristallisation des Supraleiters Wasserdampf zugesetzt werden muss. Der Wasserdampf muss die abgeschiedene Precursorschicht von der Oberfläche her durchdringen, um mit Bariumfluorid zu Barium-Oxid und Flusssäure zu reagieren. Die Flusssäure muss die Schicht wiederum verlassen. Die benötigten langen Diffusionswege für relativ große Moleküle bewirken einerseits eine Porenbildung in der Supraleiterschicht und verhindern andererseits das Aufwachsen dicker supraleitender Schichten, da die Diffusionsmöglichkeiten begrenzend auf die Schichtdicke wirken. Dieser Nachteil kann teilweise durch eine Mehrfachbeschichtung umgangen werden. Dieser Weg führt aber zu immer geringeren Schichtdickezuwächsen und schlechterer Textur bei steigender Anzahl von Beschichtungszyklen [D6–D10].

Neben der Diffusionsproblematik ist die Verwendung von fluorierten Precursoren in der Beschichtungslösung aufgrund der Giftigkeit der entstehenden Flusssäure in technischen Prozessen problematisch. Flusssäure bzw. Fluorwasserstoff sind bereits in geringsten Konzentrationen als sehr giftig eingestuft. In technischen Anlagen muss eine Vielfalt von Überwachungsmaß nahmen ergriffen werden, um eine Exposition von Mitarbeitern und eine Emission in die Umwelt zu verhindern. Zudem sollte die Menge an verwendeter Trifluoressigsäure aufgrund ihrer ökotoxischen Wirkung sowie biologischer Effekte (Schädigende Wirkung auf Wasserorganismen, kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen haben, schädigende Wirkung durch pH-Verschiebung, auch in Verdünnung noch ätzend, Gefahr für Trinkwasser) gering gehalten werden. Es ist daher sowohl aus Gründen des Arbeits- und Umweltschutzes als auch aus Gründen der Prozessökonomie wünschenswert, den Fluorgehalt der Beschichtungslösung so weit wie möglich zu senken, bzw. ganz auf fluorhaltige Precursoren zu verzichten.

Bisher konnte noch kein fluorfreies Beschichtungssystem für die supraleitende Schicht entwickelt werden, welches auch nur annähernd die supraleitenden Eigenschaften in der YBCO-Schicht aufweist wie Schichten, welche mittels der TFA Methode hergestellt wurden. Offensichtlich ist die Verwendung fluorfreier Systeme aufgrund der oben beschriebenen Problematik der Bariumcarbonatbildung nicht möglich. Folgerichtig wird intensiv daran gearbeitet den Fluorgehalt der Beschichtungssysteme zu erniedrigen. Dies erfolgt z.B. durch Verwendung einer Mischung aus Trifluoressigsäure und Essigsäure als Lösungsmittel, damit nicht wie bei einem reinen TFA-Prozess alle Metallionen formal vollständig als Trifluoracetat vorliegen sondern nur noch z.B. die Bariumionen. Die anderen Ionen, d.h. Kupfer und Yttrium, liegen bei diesen Systemen nach dem Auftrocknen der Beschichtungslösung als Acetate bzw. Oxide vor. Die im Fluoranteil reduzierten Beschichtungssysteme verringern die Freisetzung von Flusssäure bzw. Fluorwasserstoff und damit den umwelttechnischen Aufwand im Prozess. Da aber die Diffusionswege durch die gesamte Schichtdicke weiterhin sehr lang sind, konnten mit diesen Systemen keine nennenswerten Verbesserungen bei der Textur bzw. Stromdichte dickerer Supraleiterschichten erzielt werden.

Erfindung

Aufgabe war es, ein Beschichtungssystem und ein geeignetes Verfahren für die supraleitende Schicht zu entwickeln, welches einerseits den Einsatz fluorhaltiger Precursoren möglichst verringert und es andererseits ermöglicht, dicke, qualitativ hochwertige REBCO-Schichten abzuscheiden. Hochwertige Schichten definieren sich dabei über einen hohen Texturgrad und eine hohe kritische Stromdichte über die gesamte Schichtdicke hinweg. Dicke Schichten sind in diesem Zusammenhang Schichten mit einer Dicke von > 500 nm, bevorzugt mit einer Dicke von > 1 μm.

Ausgangspunkt der Lösung der Aufgabe war die Überlegung, die Diffusionswege für die Flusssäure bzw. den Fluorwasserstoff bei der Umwandlung der Precursoren (hier Bariumfluorid) in den Supraleiter bei der Glühbehandlung entscheidend zu verringern, da dieser wie oben beschrieben limitierend auf die Bildung qualitativ hochwertiger Supraleiterschichten wirkt. Die Aufgabe wurde durch eine Mehrfachbeschichtung mit unterschiedlichen Beschichtungssystemen gelöst. Während konventionell mehrfach mit ein und derselben Beschichtungslösung, die ggf. fluorreduziert sein kann, beschichtet wird, wird erfindungsgemäß zunächst in einem ersten Schritt mit einer vollständig fluorfreien Beschichtungslösung beschichtet und anschließend mit einer fluorhaltigen Beschichtungslösung. Durch dieses Vorgehen wird eine zweilagige Architektur in der Precursorschicht erzeugt. Die fluorhaltige Teilschicht befindet sich direkt an der Oberfläche, so dass die Diffusionswege bei der erfindungsgemäßen Architektur deutlich geringer sind als bei einer herkömmlichen Architektur aus einer homogenen Precursorschicht.

Die Teilschichten aus fluorfreier und fluorhaltiger Beschichtung werden dabei in mehreren Zyklen aufgebracht.

Die erfindungsgemäße Architektur ermöglicht es, den Gesamtfluorgehalt der Precursorschicht drastisch zu senken, da die fluorhaltige Deckschicht/Teilschicht im Vergleich zur fluorfreien Teilschicht dünn gehalten werden kann. Dadurch wird die Emission von Flusssäure bzw. Fluorwasserstoff maßgeblich gesenkt und die Verfahrenstechnik vereinfacht.

Im Gegensatz zu den bisher bekannten Untersuchungen zeigt sich bei der erfindungsgemäßen Architektur, dass die dünne fluorhaltige Teilschicht ausreicht, um die Bariumcarbonatproblematik in der fluorfreien Teilschicht wirksam zu unterdrücken. Dies lässt sich durch Beugungsdiagramme nachweisen, die einen durchgängig hohen Texturgrad der supraleitenden Schicht zeigen und keinen Hinweis auf das Vorhandensein von Bariumcarbonat liefern. Der hohe Texturgrad kann nur bei vollständiger Umsetzung der einzelnen Metallprecursoren zum Supraleiter erzielt werden. Anwesendes Bariumcarbonat würde die Textur dagegen maßgeblich stören.

Vergleiche mit konventionellen Beschichtungssystemen zeigen einen weiteren gewünschten Effekt der erfindungsgemäßen Beschichtung. Bei gleicher Anzahl von Beschichtungszyklen zeigt sich, dass bei einer erfindungsgemäßen Schichtarchitektur Schichtdicken erreicht werden können, die um ein Mehrfaches über denen konventioneller Beschichtungen liegt. Die gemessene Textur über die Gesamtschicht zeigt dabei keine signifikante Variation, was eine gleichbleibend hohe Textur und damit für eine gleichbleibend hohe Stromdichte in der dicken supraleitenden Schicht bedeutet.

Die Herstellung von texturierten REBCO-Schichten hoher Stromtragfähigkeit mit Schichtdicken > 500 nm erfolgt durch Aufbringen einer fluorfreien REBCO-Precursor-Zwischenschicht, Py rolyse dieser fluorfreien Schicht, gefolgt von anschließender Beschichtung mit einer TFA-Lösung. Die Pyrolyse der TFA-Schicht erfolgt bei Temperaturen bis 400°C in feuchter Atmosphäre N₂/2,5% O₂. Anschließend wird die gemeinsame REBCO-Phasenbildung bei Maximaltemperaturen von 780–790°C in feuchter N₂/100 ppm O₂ Atmosphäre durchgeführt. Geringe Erhöhung des Cu-Gehalts in der TFA-Precursor-Lösung kann zur Erhöhung von T_C und J_C führen. Dies geschieht durch die Erhöhung des Schmelzanteils während der Reaktion, durch Agieren der CuO-Ausscheidungen als Sauerstoffquelle, durch das Vorhandensein schneller Diffusionspfade für Sauerstoff sowie durch die Eigenschaft der Ausscheidungen, als pinning-Zentren zu wirken [D11].

Zur Herstellung der Beschichtungslösungen kann es dabei vorteilhaft sein, diese zu erwärmen oder unter Rühren so zu erhitzen, dass diese im Rückfluss sieden. Des Weiteren können der Beschichtungslösung verschiedene Additive beigemischt werden, um den Beschichtungsprozess positiv zu beeinflussen und die Lösungsstabilität zu erhöhen. Zur Prozessverbesserung werden einerseits Benetzungsmittel, d.h. Mittel, welche die Oberflächenspannung der Beschichtungslösung herabsetzen und so eine gleichmäßige Beschichtung über die Fläche und an Kanten ermöglichen, und andererseits Geliermittel, die die gleichmäßige Auftrocknung der Beschichtung ohne Abplatzungen, Risse und Poren ermöglichen, verwendet. Zur Stabilisierung der Lösungen können u.a. Antioxidantien eingesetzt werden.

Die Beschichtung des Substrates mit der erfindungsgemäßen Beschichtungslösung kann auf verschiedene Arten erfolgen. Die Lösung kann durch dip-coating (Tauchen des Substrates in die Lösung), spin-coating (Aufbringen der Lösung auf ein rotierendes Substrat), spray-coating (Aufsprühen bzw. Auf zerstäuben der Lösung auf das Substrat), capillary-coating (Aufbringen der Lösung über eine Kapillare), ink-jet-printing (Tinten stahldrucken) und ähnliche Techniken aufgebracht werden. Beim Aufbringen der Lösung können optional entweder durch gezieltes Schützen von Bereichen, z.B. mittels Photolack und Entfernung nach der Beschichtung, oder durch das Verfahren selbst, z.B. bei Druckverfahren wie dem Ink-Jet-Printing, Strukturen in der Supraleiterschicht erzeugt werden.

Die Beschichtung und Trocknung kann generell sowohl im Batchverfahren als auch kontinuierlich erfolgen. Bevorzugt sind hier, aufgrund des geringeren Handhabungsaufwandes, kontinuierliche Anlagen. Diese Anlagen bestehen aus einem Abwickler mit aktiver oder passiver Bremse, um das Substratband in der Anlage unter Spannung zu halten. Dies kann z.B. durch einen so genannten Tänzer (doppelte Umlenkrollen mit definierter Zugkraft) erreicht werden. Das Substratband wird anschließend durch die Beschichtungseinheit geführt, die z.B. aus einem Tauchbad bestehen kann. Durch variable Anordnungen der Führrollen können verschiedene Auszugswinkel des Substratbandes aus der Beschichtungslösung im Bad erreicht werden. Das Bad kann zusätzlich zur Erhöhung der Löslichkeit einzelner Komponenten im Lösungsmittel beheizt werden. Die Beschichtungseinheit kann erfindungsgemäß auch nach einem der weiteren, oben genannten Verfahren (außer spin-coating) betrieben werden. Nach der Beschichtungseinheit erfolgt das Auftrocknen der Beschichtung in einer Trockenstrecke. Diese Strecke kann sowohl bei einer Temperatur als auch mit mehreren Temperaturen und Temperaturverläufen betrieben werden. Vorteilhaft ist eine mindestens zweistufige Trocknung mit einer niedrigen Temperatur T₁, die wenig unterhalb der Siedetemperatur des verwendeten Lösungsmittels liegt, und einer Temperatur T₂, die oberhalb der Siedetemperatur liegt. Durch dieses Verfahren wird ein besonders homogenes und damit riss- und porenfreies Auftrocknen erreicht. Nach dem Auftrocknen wird das Band über einen Aufspuler wieder aufgewickelt. Vorteilhaft für die anschließende Glühbehandlung ist es, das Band auf ein Trägerrohr in Form einer Flachspule (Solenoid) aufzuwickeln. Dies geschieht durch eine gleichzeitige Dreh- und Linearbewegung des Aufspulers. Träger für das Band ist beispielsweise ein wärmefestes Keramikrohr oder ein beschichtetes Metallrohr. Die verschiedenen Einheiten, insbesondere die Beschichtungseinheit und die Trocknungseinheit sind vorteilhaft so gestaltet, dass der Prozess unter einer definierten Atmosphäre stattfinden kann. In den verschiedenen Einheiten kann es vorteilhaft sein, unterschiedliche Atmosphären einzustellen. Ein hoher Dampfdruck des Lösungsmittels in der Beschichtungseinheit kann z.B. vorteilhaft sein, um ein übermäßiges Verdampfen des Lösungsmittels aus dem Beschichtungsbad und damit ein Auf konzentrieren der Beschichtungslösung zu vermeiden.

Beispiele
Folgende Beispiele seien angeführt, ohne sich auf diese zu beschränken:
(1) Beispiel 1
Y(III)-Acetat-Tetrahydrat (Y(OOCCH₃)·4H₂O: Alfa Aesar, 99,99 % (REO), kristallin) und Cu(II)-Acetat-Monohydrat (Cu(OOCCH₃)₂·H₂O: Aldrich, ≥ 99,99 %, kristallin) werden in Wasser gelöst. Nach Zugabe von Ethanol (CH₃CH₂OH: Merck, zur Synthese, ≥ 99 %, Schmelzpunkt: –114,5°C, Siedepunkt: 78,3°C, Flammpunkt: 12°C) und Pivalinsäure (Trimethylessigsäure: (CH₃)₃CCOOH: Merck, zur Synthese, > 98 %, Schmelzpunkt: 32–35°C, Siedepunkt: 164°C, Flammpunkt: 64°C, Löslichkeit in H₂O: 25g/l (25°C)) wird die erhaltene Lösung im Trockenschrank getrocknet. Das entstehende Gemenge aus Y(III)- und Cu(II)-trimethylacetat wird mit Bariumhydroxid-Octahydrat (Ba(OH)₂·8 H₂O: Merck, zur Analyse, ≥ 98 %, Schmelzpunkt: 78°C) vermengt. Durch Zusatz von Propionsäure (Methylessigsäure, CH₃CH₂COOH: Merck, zur Synthese, ≥ 99%, Schmelzpunkt: –21°C, Siedepunkt: 141°C, Flammpunkt: 50°C), Propylamin (1-Aminopropan, CH₃CH₂CH₂NH₂: Merck, zur Synthese, > 99 %, Schmelzpunkt: –83°C, Siedepunkt: 48–50°C, Flammpunkt: –30°C), Methanol (CH₃OH: Merck, zur Analyse, ACS, ISO, ≥ 99,8%, Schmelzpunkt: –98°C, Siedepunkt: 64,5°C, Flammpunkt: 11°C) und Toluol (Methylbenzol, C₆H₅CH₃: Merck, für die Spektroskopie, ≥ 99,9 %, Schmelzpunkt: –95°C, Siedepunkt: 110,6°C, Flammpunkt: 4°C) wird eine 0,2 molare kolloidale Lösung hergestellt. Strontiumtitanat-Substrate (Orientierung (100)) sowie mit Pufferschichten versehenes Metallband aus einer Legierung Ni – 5 at-% W wurden mit Hilfe des Dip-Coating Verfahrens beschichtet. Die Verweilzeit in der Lösung betrug 15 s. Die Proben wurden mit einer Ziehgeschwindigkeit von 0,1 cm/s aus der Lösung herausgezogen. Das Trocknen der Schicht erfolgte bei Temperaturen bis 200°C im Trockenschrank. Die anschließende Pyrolyse wurde bei T ≤ 600°C in einem Kammerofen unter Luft durchgeführt. Die Substrate mit der ersten pyrolysierten Schicht wurden anschließend zweimal in YBCO-TFA-Precursorlösungen unterschiedlicher Zusammensetzungen (0,25 molar bezüglich Y) mit Verweilzeiten von 30 und 15 s und einer Ziehgeschwindigkeit von 0,1 cm/s getaucht. Die YBCO-TFA-Precursorlösungen wurden aus Y(III)-acetat-Tetrahydrat (Y(OOCCH₃)₃·4 H₂O: Alfa Aesar, 99,99% (REO), kristallin), Ba(II)-acetat (Ba(OOCCH₃)₂: Alfa Aesar, 99,999% (metals basis)) und Cu(II)-acetat-Monohydrat (Cu(OOCCH₃)₂·H₂O: Aldrich, 99,99%, kristallin) unter Verwendung von Trifluoressigsäure (CF₃COOH: Merck, zur Synthese, > 99 %, Schmelzpunkt: –15°C, Siedepunkt: 72°C, umweltgefährlich!) und Methanol (CH₃OH: Merck, zur Analyse, > 99,8 %, Schmelzpunkt: –98°C, Siedepunkt: 64,5°C, Flammpunkt: 11°C, giftig!) als Lösungsmittel hergestellt. Die Zusammensetzungen der Lösungen wurden wie folgt eingestellt:
Precursorlösung 1:

Y:Ba:Cu = 1 : 2 : 3, 0,25 molare Lösung bezüglich Y. Die Lösung wurde mit einem Überschuss von 15% Trifluoressigsäure im Vergleich zur Standardzusammensetzung (Stand der Technik) hergestellt.

Presursorlösung 2:

Y:Ba:Cu = 1 : 2 : 3,2–3,8

Die erhaltenen Schichten wurden in feuchter Atmosphäre wärmebehandelt. Die Pyrolyse erfolgte bei T ≤ 400°C in N₂/2,5% O₂ – Atmosphäre. Die YBCO-Phasenbildung wurde unter einer Atmosphäre von N₂/100 ppm O₂ bei Maximaltemperaturen von 780 bis 790°C und mit einer Haltezeit zwischen einer halben und einer Stunde durchgeführt. Die Abkühlung der Proben erfolgte in O₂ Atmosphäre mit einer Haltezeit von 2 Stunden bei einer Temperatur zwischen 500 und 400°C. Typische Ergebnisse sind:

Probe YBZ 289 (STO-Substrat, T_max = 785°C, Precursor-Lösung 1, Ziehgeschwindigkeit 0,1 cm/s): T_C50 = 89,8 K, ΔT_C = 1 K, J_C(resistiv) = 1,15 MA/cm² FWHM(φ-scan) = 2,50 ± 0,03°, FWHM(ω-scan) = 0,90 ± 0,01° Schichtdicke: ≈ 610 nm
Probe YBZ 291 (STO-Substrat, T_max = 785°C, Precursor-Lösung 2 (1 : 2 : 3,4, Ziehgeschwindigkeit 0,1 cm/s): T_C50 = 89,6 K, ΔT_C = 0,8 K, J_C(resistiv) = 0,85 MA/cm² FWHM(φ-scan) = 2,11°, FWHM(ω-scan) = 0,95° Schichtdicke: ≈ 560 nm

Ergebnisse der Polfigur-Messungen sowie von Phi-Scans sind 5 und 6, die Ergebnisse der T_C- und J_C-Messungen 7 und 8 zu entnehmen.
(2) Beispiel 2
In einem weiteren Versuch wurden die Reaktionsbedingungen variiert. Die eingesetzte fluorfreie Precursor-Lösung wurde wie in Beispiel 1 angegeben hergestellt. Die Lösung wies im Gegensatz zu Beispiel 1 jedoch eine erhöhte Viskosität auf. Als TFA-Precursor-Lösung wurde die oben angegebene Lösung 1 verwendet. Ein Strontiumtitanat-Substrat (Orientierung (100)) wurde mit Hilfe des Dip-Coating Verfahrens beschichtet. Für die fluorfreie YBCO-Precursorlösung wurden die gleichen Beschichtungs-, Trocknungs- und Pyrolysebedingungen wie in Beispiel 1 gewählt. Anschließend erfolgte ein zweimaliges Tauchen in der TFA-Precursorlösung mit einer Verweilzeit von 30 bzw. 15 Sekunden sowie einer Ziehgeschwindigkeit von 0,2 cm/s. Das Trocknen der Schicht, die anschließende Pyrolyse sowie die Kristallisation erfolgten unter oben angegebenen Bedingungen. Mit diesem Verfahren konnten Schichten mit, im Vergleich zu Beispiel 1, erhöhter Schichtdicke erzeugt werden.

Probe (STO-Substrat, fluorfreie YBCO-Precursorlösung geringfügig höherer Viskosität, T_max = 785°C, Precursor-Lösung 1 (1 : 2 : 3), Ziehgeschwindigkeit 0,2 cm/s): Schichtdicke: ≈ 880 nm

(3) Beispiel 3
Auf ein texturiertes Metallband (Ni – 5 at-% W) gemäß D3–D5 wurde La₂Zr₂O₇ (LZO) als Pufferschicht aufgebracht.
Basis der Beschichtungslösung sind Lanthan(III)- und Zirkonium(IV)-(2,4)pentandionat (Acetylacetonat) (Lanthan(III)- (2,4)pentandionat, La[CH₃COCHCOCH₃]₃·x H₂O: Alfa Aesar, 99,9% (REO), Pulver, Schmelzpunkt: 143°C; Zirkonium(IV)-(2,4)pentandionat, Zr[CH₃COCHCOCH₃]₄: Strem Chemicals, ≥ 98%, kristallin). Die Lösung wurde gemäß der Pufferstöchiometrie auf eine Konzentration von 0,1 M bezogen auf La₂Zr₂O₇ eingestellt. Zur genauen Einstellung der Metallgehalte wurden die Ausgangsstoffe mittels ICP-OES (Inductively coupled plasma optical emission) charakterisiert. Als Lösungsmittel für die Lösung wurde Propionsäure (Propionsäure, CH₃CH₂COOH: Merck, ≥ 99%, Schmelzpunkt: –21°C, Siedepunkt: 141°C, Flammpunkt: 50°C) verwendet.
Die Beschichtung erfolgte an Substratbändern mit einem Querschnitt von 5 × 0,1 mm² und einer Länge von 50 m in einer kontinuierlichen Beschichtungsapparatur.
Diese Apparatur besteht aus einer Abspul-, einer Beschichtungs-, einer Trocknungs- und einer Aufwickeleinheit. Eine schematische Zeichnung zeigt 3. Das Band wird unter einem Zug von 10N mit einer Geschwindigkeit von 6 cm/min durch die Anlage gezogen. Die Beschichtung erfolgt mit einem Auszugswinkel von 70° bezogen auf die Lösungsoberfläche. Die Trocknung erfolgt in zwei Schritten. Die Vortrocknung erfolgt bei Temperaturen von 60°C auf einer Strecke von 50 cm, die Endtrocknung auf einer Strecke von 90 cm bei einer Temperatur von 170°C. Das Band wird nach der Trocknung auf ein Keramikrohr (Korund) mit dem Durchmesser von 18 cm und einer Länge von 100 cm in Form einer Spirale (Solenoid) aufgewickelt.
Das Band wird mit dem Trägerrohr in einen Glühofen überführt und bei einer Temperatur von 900°C innerhalb von 2h kristallisiert.
Nach Austausch der Puffer-Beschichtungslösung in der kontinuierlichen Beschichtungsanlage gegen eine fluorfreie YBCO-Beschichtungslösung gemäß Beispiel 1 wird das erhaltene Band mit einer Geschwindigkeit von 6 cm/min unter ansonsten unveränderten Bedingungen durch die Anlage geführt und wiederum auf ein Keramikträgerrohr aufgespult. Die aufgetragene Schicht wurde anschließend auf dem Keramikträgerrohr bei 600°C unter Luft pyrolysiert. Nach erneutem Austausch der Beschichtungslösung gegen eine fluorhaltige Lösung gemäß Beispiel 1 erfolgte wiederum ein Durchlauf durch die Anlage mit einer Geschwindigkeit von 0,2 cm/s.
Das Band mit den erhaltenen Schichten wurde auf dem Keramikträgerrohr in feuchter Atmosphäre wärmebehandelt. Die Pyrolyse erfolgte bei T ≤ 400°C in N₂/2,5% O₂ – Atmosphäre. Die Kristallisation wurde unter einer Atmosphäre von N₂/100 ppm O₂ bei Maximaltemperaturen von 780 bis 790°C und mit einer Haltezeit zwischen einer halben und einer Stunde durchgeführt. Die Abkühlung der Proben erfolgte in O₂ Atmosphäre mit einer Haltezeit von 2 Stunden bei einer Temperatur zwischen 500 und 400°C. Typische Ergebnisse sind:
Polfigur-Messungen, Phi-Scans sowie T_C- und J_C-Messungen an ausgewählten Kurzproben ergaben Messergebnisse, die denen der Messungen an den erfindungsgemäß hergestellten Proben aus Beispiel 1 entsprechen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Hochtemperatur-Supraleiters (HTSL) mit einem Trägermaterial auf dem eine Pufferschicht ist und mit mindestens zwei Precursorschichten, mit den Schritten a. Aufbringen einer Precursorlösung, b. Trocknen, c. Pyrolyse, d. Glühen zur Erzeugung einer supraleitenden Schicht, wobei die Schritte a) bis c) mindestens einmal wiederholt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens als erste eine fluorfreie und als oberste eine fluorhaltige Precursorlösung aufgebracht wird, wobei zur Herstellung der fluorfreien Precursorlösung Pivalinsäure und/oder Propionsäure verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der obersten Precursorschicht eine Trifluoracetat-Precursorlösung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer Precursorlösung Geliermittel und/oder Benetzungsmittel zugesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Precursorlösungen bei der Herstellung erwärmt oder erhitzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach Schritt d) eine Schutz- oder Funktionsschicht aus Metall aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung mindestens einer Precursorlösung Y(III)- und/oder Cu(II)-Trimethylacetat und/oder Bariumhydroxyd-Octahydrat verwendet wird bzw. werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung mindestens einer Precursorlösung Lanthan(III)- und Zirkonium(IV)-(2,4)pentandionat verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial Strontiumtitanat oder ein texturiertes Metallband, vorzugsweise aus einer Ni-W-Legierung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine mindestens 500nm, vorzugsweise mindestens 880nm, dicke HTSL-Schicht erzeugt wird.